DOCter

Propósito

El uso de las tradicionales ondas de esfuerzo, tales como el ultrasonido, requiere acceso a las dos caras del miembro para identificar la presencia de anomalías en estructuras. Estas desventajas son eliminadas al usar el método impact-echo, el cual requiere acceso solo de una superficie. El método impact-echo es basado en monitorear el aterrizado periódico de las reflexiones de las ondas de esfuerzo y es capaz de obtener información acerca la profundidad de la interfase de reflexión interna o el grosor de un miembro sólido.

Doctor es un sistema versátil y potable basado en el método impact-echo, y puede se usado para las siguientes aplicaciones:

• Medir el grueso de pavimentos, cubiertas asfálticas, losas apoyadas en tierra y paredes.
• Detectar la presencia y profundidad de fallas y segregaciones.
• Detectar fallas debajo de losas apoyadas en tierra.
• Evaluar la calidad de la inyección de grout en ductos de postensado.
• Integridad de membranas debajo de una cubierta asfáltica para proteger concreto estructural.
• Inspección de laminaciones en pisos de puentes, muelles, torres de enfriamiento y estructuras de chimeneas.
• Despegado en capas o parches.
• Detectar daños por reacciones alcali-silice y por ciclos de hielo-deshielo.
• Medición de profundidad en grietas visibles.
• Estimado de desarrollo de resistencia a edades tempranas (con adecuada correlación).

Principio

Un pulso de esfuerzo de corta duración es introducido en el miembro por impacto mecánico. Este impacto genera tres tipos de ondas de esfuerzo que se propagan a partir del punto de impacto. Una onda superficial (onda R) viaja a lo largo de la superficie y las ondas S y P viajan dentro del miembro. En la prueba Impact-echo se utiliza la onda P para obtener información acerca del miembro.

Cuando la onda P llega a la parte inferior de el miembro, esta es reflejada y viaja de nuevo a la parte superior donde el impacto fue generado. Un transductor sensible al desplazamiento que se coloca cerca de la zona de impacto recoge la vibración a causa de la llegada de la onda P. La onda P es reflejada hacia abajo y se empieza el ciclo de nuevo. Así la onda P es reflejada muchas veces entre las dos capas del miembro. La forma de onda grabada del desplazamiento superficial presenta un patrón periódico que es relacionado al grosor del miembro y la velocidad de onda.

La forma de onda de desplazamiento se transforma en el dominio de la frecuencia para producir un espectro de amplitud, el cual muestra las frecuencias predominantes en la forma de onda. La frecuencia de llegada de la onda P es determinada como la frecuencia en la cual se presenta un pico alto en el espectro de amplitudes. El grosor (T) del miembro es relacionado a esta frecuencia de grosor (f) y velocidad de onda (Cp) por medio de esta simple ecuación aproximada:

El mismo principio aplica en la reflexión de un defecto interno (delaminación o huecos). Por lo tanto el método impact-echo es capaz de determinar tanto la localización de defectos internos como medir el grosor de un miembro sólido.

Ejemplo

En la gráfica de arriba se muestra el desplazamiento superficial obtenido al realizar una prueba en una losa de concreto sólida. La figura de debajo de la forma de onda es el espectro de amplitud obtenido mediante la transformación de la forma de onda a dominio de frecuencias. El pico registrado en 11.47 kHz es la frecuencia de grosor. Para una velocidad de onda de 4240m/s, esta frecuencia corresponde a un grosor de 4240 /(2*11,470) = 0.185 m, o 185 mm.

Medición de espesor de acuerdo a la ASTM C 1383

Para una buena medición del grosor de un elemento se requiere conocer la velocidad de onda P en el lugar. La ASTM c 1383, “Método de Prueba para Medir la Velocidad de Onda P y el Grosor de Placas de Concreto usando el Método Impact-Echo”, permite dos métodos para medir la velocidad de la onda P. Uno método es determinando la frecuencia de grosor y después mediendo el grosor real de la placa en el punto el cuestión. La ecuación en la página anterior es usada para despejar la velocidad de la onda P como sigue: Cp= 2 f T

Alternativamente, Cp puede ser determinada al medir el tiempo que tarda la onda P en viajar entre dos transductores con una

separación conocida. Utilizando el aditamento para dos transductores, LONGSHIP, los transductores son posicionados a 300 mm de separación entre ellos y el impactor se localiza a 150 mm de un transductor en la línea que pasa a través de los transductores. La distancia (300 mm) entre los transductores es dividida entre la diferencia de tiempo Δt entre la llegada de la onda P al primer y segundo transductor. En la figura de la siguiente página la Δt medida fue de 67 µs, y la velocidad de la onda P es 0.300 / 0.000067 =4480 m/s. Cuando la velocidad de onda es determinada por el método de medición superficial, el valor resultante es multiplicado por 0.96 cuando es usada para el cálculo de grosor. Por lo tanto la ecuación correcta para el cálculo de espesores es:

La explicación para el factor 0.96 puede ser encontrada en la siguiente referencia:
Gibson, A. and Popovics, J.A., 2005, “Lamb Wave Basis for Impact-Echo Method Analysis,” J. of Engineering Mechanics (ASCE), Vol. 131, No. 4, April, pp. 438-443.

Medición de la velocidad de la onda P

La figura mostrada arriba es un ejemplo de la medición de la velocidad de la onda P mediante el uso de dos transductores a una conocida distancia de separación. El tiempo de llegada de la onda P en cada transductor se determina como el punto para el cual en cada transductor la señal se eleva por encima del valor de fondo. El software Viking permite al usuario poner cursores en los puntos correspondientes a las llegadas de las ondas P, y calcular el valor de Cp. En este caso, la velocidad calculada es 4480 m/s, y el 96 % de este valor es 4300 m/s.

Detección de Defectos Internos

La onda P generada por el impacto se reflejará en las interfaces dentro del concreto donde hay un cambio en la impedancia acústica , que se define como el producto de la densidad y la velocidad de la onda de un material. A continuación se enumeran los coeficientes de reflexión de una onda P que viaja a través del concreto e incide normal a una interfaz con aire, agua, suelo o acero:

Un coeficiente de reflexión negativo significa que el estrés cambia de signo cuando se refleja la onda de estrés; por ejemplo, un esfuerzo de compresión se reflejaría como un esfuerzo de tracción. El acero es “acústicamente más duro” que el hormigón y la tensión no cambia de signo cuando se refleja en una interfaz de hormigón y acero.

Se ve que en una interfaz concreto-aire, hay un reflejo completo de la onda P. Esto hace que el método de eco de impacto sea inherentemente poderoso para detectar interfaces aéreas, como las debidas a delaminaciones, cavidades y concreto alveolar. Si el área de la interfaz reflectante es grande, la respuesta de eco-impacto será similar a la de una placa sólida, excepto que la frecuencia de espesor se desplazará al valor más alto correspondiente a la profundidad de la interfaz. Si el defecto es lo suficientemente grande como para ser detectable, el espectro de amplitud mostrará dos picos: un pico de alta frecuencia corresponde a la reflexión desde la interfaz y el pico de baja frecuencia corresponde a la porción de la onda P que viaja alrededor del defecto y refleja desde la superficie opuesta de la placa. Al colocar el cursor en la frecuencia asociada con la falla, el software Viking muestra la profundidad de la falla. La frecuencia asociada con la porción de la onda P que viaja alrededor del defecto se desplazará a un valor de frecuencia menor que la frecuencia del espesor de la placa sólida. Esto se debe a que la ola tiene que viajar una distancia más larga ya que difracta alrededor de la falla. El cambio de frecuencia es un buen indicador de la presencia de un defecto si se sabe que el grosor de la placa es constante.

Profundidad de Grietas Visibles

El DOCter también puede ser utilizado para medir la profundidad de las grietas visibles, mediante un análisis de dominio del tiempo. Los transductores LONGSHIP se colocan a los lados opuestos de la grieta (como se muestra en el dibujo en el a la derecha) y el impacto se genera en el línea que pasa por los transductores. Cuando la onda P llega a la punta de la de la grieta, la punta de la grieta difracta la onda P. La onda P difractada es detectada por el transductor en el lado opuesto de la grieta. Al medir el intervalo de tiempo entre la llegada de la onda P directa en el primer transductor y de la llegada de la onda difractada en el segundo transductor, la profundidad de la grieta puede ser calculada. El ejemplo que se muestra es de una prueba en una estructura dañada por fuego, y una profundidad de grieta de 87 milímetros fue estimada para una diferencia de tiempo de 35 µs y una velocidad de onda P de 3155 m / s.

Exactitud

Para la velocidad de la onda P determinada por medio de calibración con un grosor conocido, el error en la medición del grosor con el DOCter es de ± 2 %. Esto asume que la misma velocidad de onda P es aplicable para en todos los puntos de prueba.

En el caso de que se obtenga el grosor mediante la medición de la velocidad de la onda P en la superficie, el error en el grosor debido a errores sistemáticos asociados a la naturaleza digital de la medición es de ± 3 %. Con esto se asume que la velocidad de la onda P es uniforme a cualquier profundidad.

La profundidad de la grietas en la superficie pueden ser estimadas con una precisión de ± 4 %.

Ejemplos de Pruebas

Detección de delaminaciones y panal en alcantarilla

Medición de la velocidad de la onda P por método de superficie

Pruebas de calidad de inyección de lechada en conductos de cables ubicados por radar de penetración en el suelo

Números de pedido

La DOCter viene en dos versiones: la DOC-700 para la detección de fallas y la medición de espesores, y la DOC-4000 para la detección de fallas, medición de espesores, medición de profundidad grieta, y la medición de velocidad de la onda P. La unidad Spider de múltiples impactores se puede adquirir como una opción para aumentar el rango de operación de los sistemas.

DOC-700
El sistema DOC-700 es un sistema de un solo canal para la medición de espesores y detección de fallas. La velocidad de la onda P es determinada mediante la prueba sobre una placa sólida con espesor conocido. El sistema incluye un ordenador portátil, un módulo de adquisición de datos, un transductor Mark IV con impactores, y el software. Los componentes de hardware y equipo se entregan en maletines (no mostrado).

DOC-4000

El sistema DOC-4000 es un sistema de dos canales que cumple con el método superficial para la medición de la velocidad de onda P especificado en la norma ASTM C1383. Además de la determinación del espesor y la detección de fallas, el DOC-4000 puede ser utilizado para estimar la profundidad de la de grietas visibles en la superficie.

Spider, Numero de orden DOC-210

El Spider consta de 8 impactores esféricos, con diámetros que van desde 2 mm a 15 mm. El contenido de frecuencias cubiertas por los impactadores Spider es aproximadamente de 1,2 kHz a 100 kHz en una superficie de concreto duro. La araña se coloca junto al transductor Mark IV, como se muestra en la siguiente imagen.